阻抗匹配濾波器電路設(shè)計(jì)——LC、L和PI濾波器

阻抗匹配濾波器電路設(shè)計(jì)

除了使用阻抗匹配變壓器外，設(shè)計(jì)人員還可以在 RF 放大器的輸出端使用阻抗濾波器電路，它可以兼作濾波電路和阻抗匹配電路。有多種類型的濾波器電路可用于阻抗匹配，本文討論了最常見的那些。

LC濾波器匹配

可以使用各種LC 濾波器來(lái)匹配阻抗并提供濾波。濾波對(duì)功率 RF 放大器的輸出尤為重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生大量不需要的諧波，這些諧波在被天線傳輸之前必須被過(guò)濾掉，因?yàn)樗鼈儠?huì)造成干擾，并且會(huì)在電臺(tái)獲準(zhǔn)傳輸?shù)念l率以外的頻率上傳輸on 可能是非法的。我們將介紹低通 LC 濾波器，因?yàn)闊o(wú)線電功率放大器只產(chǎn)生諧波，而諧波信號(hào)始終是基本信號(hào)的整數(shù)倍，因此它們的頻率總是高于基本信號(hào)——這就是我們使用低通濾波器的原因，他們?cè)谙C波的同時(shí)讓有用的信號(hào)通過(guò)。在設(shè)計(jì) LC 濾波器時(shí)，我們將討論源電阻和負(fù)載電阻而不是阻抗，因?yàn)槿绻?fù)載或源具有一些串聯(lián)或并聯(lián)的電感或電容，則非電阻阻抗的計(jì)算會(huì)變得更加復(fù)雜。在這種情況下，最好使用 PI 濾波器或 L 濾波器計(jì)算器。在大多數(shù)情況下，例如集成電路、正確制作和調(diào)諧的天線、電視和無(wú)線電接收器、發(fā)射器等，輸出/輸入阻抗 = 電阻。

“Q”因素

每個(gè) LC 濾波器都有一個(gè)稱為Q(質(zhì)量)因子的參數(shù)，在低通和高通濾波器中，它決定了頻率響應(yīng)的陡度。低 Q 濾波器的帶寬非常寬，不會(huì)像高 Q 濾波器那樣濾除不需要的頻率。高 Q 值濾波器會(huì)濾除不需要的頻率，但它會(huì)有一個(gè)共振峰，因此它也可以用作帶通濾波器。高 Q 因數(shù)有時(shí)會(huì)降低效率。

過(guò)濾器

L 濾波器是 LC 濾波器的最簡(jiǎn)單形式。它們由一個(gè)電容器和一個(gè)電感器組成，連接方式類似于 RC 濾波器中的連接方式，電感器代替了電阻器。它們可用于匹配高于或低于源阻抗的阻抗。在每個(gè) L 濾波器中，只有一種 L 和 C 的組合可以將給定的輸入阻抗與給定的輸出阻抗相匹配。

例如，要在 14MHz 時(shí)將 50 Ω 負(fù)載匹配到 100 Ω 負(fù)載，我們需要一個(gè) 560nH 電感器和一個(gè) 114pF 電容器——這是唯一可以在該頻率下與這些電阻進(jìn)行匹配的組合。他們的 Q 因子，因此濾波器有多好等于

√((R A /R B )-1)=Q

其中 R A是較大的阻抗，RL 是較小的阻抗，Q 是連接適當(dāng)負(fù)載時(shí)的品質(zhì)因數(shù)。

在我們的例子中，加載的 Q 將等于 √((100/50)-1) = √(2-1) = √1 = 1。如果我們想要更多或更少的過(guò)濾(不同的 Q)，我們需要PI 濾波器，其中 Q 是完全可調(diào)的，您可以有不同的 L 和 C 組合，可以在給定頻率下為您提供所需的匹配，每個(gè)組合都有不同的 Q。

要計(jì)算 L 濾波器元件的值，我們需要三樣?xùn)|西：電源的輸出電阻、負(fù)載電阻和工作頻率。

例如，源的輸出電阻為 3000 Ω，負(fù)載電阻為 50 Ω，頻率為 14 MHz。由于我們的源電阻大于負(fù)載電阻，我們將使用“b”濾波器

首先，我們需要計(jì)算L濾波器兩個(gè)元件的電抗，然后我們可以根據(jù)電抗和使用頻率計(jì)算電感和電容：

X L =√(R S *(R L -R S ))

X L =√(50Ω*(3000Ω-50Ω)

X L =√(50Ω*(3000Ω-50Ω)

X L =√(50Ω*2950Ω)

X L =√(50Ω*2950Ω)

X L =√147500 Ω 2

X L = 384.1 Ω

我們使用電抗計(jì)算器來(lái)確定在 14MHz 時(shí)具有 384.1 Ω 電抗的電感

L=4.37 μH

X C =(R S *R L )/X L

X C =(50 Ω*3000 Ω)/384.1 Ω

X C =150000 Ω 2 /384.1 Ω

X C =390.6 Ω

我們使用電抗計(jì)算器來(lái)確定在 14MHz 時(shí)具有 390.6 Ω 電抗的電感

C= 29.1 皮法

正如您所看到的，濾波器的頻率響應(yīng)是低通的，在 14MHz 處有一個(gè)諧振峰值，諧振峰值是由具有高 Q 值的濾波器引起的，如果 Q 值較低，則濾波器將是沒(méi)有峰值的低通濾波器。如果我們想要一個(gè)不同的 Q，那么濾波器會(huì)更寬，我們需要使用 PI 濾波器，因?yàn)?L 濾波器的 Q 取決于源電阻和負(fù)載電阻。如果我們使用此電路來(lái)匹配電子管或晶體管的輸出阻抗，則需要從濾波器的電容器中減去輸出對(duì)地電容，因?yàn)樗鼈兪遣⒙?lián)的。如果我們使用集電極-發(fā)射極電容(也稱為輸出電容)為 10pF 的晶體管，則 C 的電容應(yīng)為 19.1pF 而不是 29.1pF。

PI過(guò)濾器

PI濾波器是一種用途非常廣泛的匹配電路，它由3個(gè)電抗元件組成，通常是兩個(gè)電容和一個(gè)電感。與 L 濾波器不同，其中只有 L 和 C 的一種組合在給定頻率下提供所需的阻抗匹配，PI 濾波器允許 C1、C2 和 L 的多種組合來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的阻抗匹配，每種組合具有不同的 Q。

PI 濾波器更常用于需要調(diào)諧到不同負(fù)載電阻甚至復(fù)阻抗的應(yīng)用中，例如射頻功率放大器，因?yàn)樗鼈兊妮斎胼敵鲎杩贡?(r i ) 由電容器的平方比決定，因此當(dāng)調(diào)諧到不同的阻抗時(shí)，線圈可以保持不變，而只調(diào)諧電容器。射頻功率放大器中的 C1 和 C2 通常是可變的。

(C1/C2)2=r i

當(dāng)我們想要一個(gè)更寬的濾波器時(shí)，我們使用 Q 略高于 Q crit當(dāng)我們想要一個(gè)更銳利的濾波器時(shí)，例如在 RF 功率放大器的輸出端，我們使用比 Q crit大得多但低于 10 的 Q，因?yàn)檫^(guò)濾器的 Q 越高，效率越低。RF 輸出級(jí)中 PI 濾波器的典型 Q 值是 7，但這個(gè)值可能會(huì)有所不同。

Q暴擊=√(R A /R B -1)

其中：R A是兩個(gè)(源或負(fù)載)電阻中較高的一個(gè)，R B是較小的電阻。通常，可以將較高 Q 的PI 濾波器視為由線圈 L 和電容 C 構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路，忽略阻抗匹配，電容等于：

C=(C1*C2)/(C1+C2)

該諧振電路應(yīng)在濾波器將使用的頻率下諧振。

要計(jì)算 PI 濾波器組件的值，我們需要四樣?xùn)|西：源的輸出電阻、負(fù)載電阻、工作頻率和 Q。

例如，我們需要將 8Ω 源與 Q 為 7 的 75Ω 負(fù)載相匹配。

R A是兩個(gè)(源或負(fù)載)電阻中較高的一個(gè)，R B是較小的電阻。

X C1 =R A /Q

X C1 =75 Ω/7

X C1 =10.7 Ω

我們使用電抗計(jì)算器來(lái)確定在 7 MHz 時(shí)具有 10.7 Ω 電抗的電容

C1=2.12nF

X L =(Q*R A +(R A *R B /X C2 ))/(Q 2 +1)

X L =(7*75Ω+(75Ω*8Ω/3.59Ω))/7 2 +1

X L =(575 Ω+(600 Ω 2 /3.59 Ω))/50

X L =(575Ω+(167Ω))/50

X L =742 Ω/50

X L =14.84 Ω

我們使用電抗計(jì)算器來(lái)確定在 7 MHz 時(shí)具有 14.84 Ω 電抗的電感 L=340nH

X C2 =R B *√((R A /R B )/(Q 2 +1-(R A /R B )))

X C2 =8Ω*√((75Ω/8Ω)/(Q 2 +1-(75Ω/8Ω)))

X C2 =8 Ω*√(9.38/(49+1-3.38))

X C2 =8 Ω*√(9.38/46.62)

X C2 =8Ω*√0.2

X C2 =8Ω*0.45

X C2 =3.59 Ω

我們使用電抗計(jì)算器來(lái)確定在 7 MHz 時(shí)具有 3.59 Ω 電抗的電容 C2=6.3nF

與 L 濾波器一樣，如果我們的輸出設(shè)備有任何輸出電容(管的板陰極，BJT 的集電極到發(fā)射極，通常只是 MOSFET、管和 BJT 的輸出電容)我們需要從 C1 中減去它，因?yàn)樵撾娙菔遣⒙?lián)連接到它。如果我們使用具有 180 pF 輸出電容的 IRF510 晶體管作為功率輸出設(shè)備，C1 需要為 6.3 nF-0.18 nF，因此為 6.17 nF。如果我們并聯(lián)使用多個(gè)晶體管以獲得更高的輸出功率，則電容將相加。

對(duì)于 3 IRF510，它將是 6.3 nF-0.18 nF*3 = 6.3 nF-0.54 nF，因此是 5.76 nF 而不是 6.3 nF。

其他用于阻抗匹配的LC電路

有許多不同的 LC 電路用于匹配阻抗，例如T 濾波器，晶體管功率放大器的特殊匹配電路，或 PI-L 濾波器(帶有附加電感器的 PI 濾波器)。

審核編輯：湯梓紅